未來的空間望遠鏡top-4（上）_風聞

原創：牧夫天文

翻譯：陳豔玲

校譯：華子乾 陸寅楓 田程偲 汪榮鑫

編排：胡暖暖

原文鏈接：https://www.skyandtelescope.com/astronomy-news/2020-decadal-survey-future-astronomy/

四個方案正在角逐爭奪美國宇航局的下一代空間望遠鏡研發任務。從尋找系外行星到觀測X射線，未來的望遠鏡會長成什麼樣？

發揮我們的想象力。在未來的某一天，我們會在另一個地球上拍到海洋嗎？我們會捕捉到宇宙最早期黑洞的蹤跡，還是繪製出看不見的宇宙暗物質網？我們會發現行星和生命的起源嗎？這些是當今天文學中最緊迫的問題，而答案通過建造更先進的望遠鏡就可能得到。

天文學家正在研究四個方案：HabEx, LUVOIR, Lynx, 和”起源”

NASA

明年年初，跨越多個學科的最厲害的天文學家團隊將確定未來十年天文學的優先研究事項。根據美國國家科學院的選擇，該小組將評估四個空間望遠鏡任務——其中任何一個任務都可以改變天文學的面貌，以及10個較小的探測器任務。然後，天文學家將在一份名為十年調查的報告中闡述對未來天文學研究的願景。

在過去的50年裏，十年規劃為空間天文學確定了發展方向。至少到目前為止，任何在特定十年中獲得最高優先級的太空任務最終都會進入發射台。該清單包括哈勃空間望遠鏡，該望遠鏡在1972年的報告中得到優先考慮並於1990年發射;錢德拉X射線望遠鏡，於1982年獲得優先考慮，並於1999年發射; 斯皮策空間望遠鏡於1991年獲得優先考慮並於2003年發射升空。

接下來是詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）在2000年被優先考慮，然後是廣角紅外探測望遠鏡（WFIRST），在2010年的十年規劃中獲得第一名。這兩項任務尚未啓動。雖然它們可能仍然可能進入太空，但詹姆斯·韋伯由於許多延誤和預算超支大大提高了政治成本。這也是為什麼2016年美國宇航局開始計劃為四個“大型任務”：HabEx，LUVOIR，Lynx和”起源” Space Telescope（按字母順序排列）的方案提供詳細研究的資金，這些資金包括了從成本計算模型到工作分解結構的所有內容。

通過這些研究，美國宇航局希望避開類似JWST的情況。LUVOIR團隊成員John O’Meara（W. M. Keck天文台）説：“現在，這四項方案中的每項方案都比歷史上的任何一次十年調查的大型任務所做的研究要多得多。”

“大”不能準確形容這些項目; “轉型”可能能更合理地形容它們。這些項目中任何一個所承諾的潛力都讓天文學家感到震驚。從地球大小行星的直接成像到觀測到在宇宙早期的第一個黑洞，這些任務保證將為天文學帶來巨大的收益。

儘管尚未公佈最終成本估算，但這些任務中的任何一項都需要至少數十億美元來設計，建造和發射。因此，十年委員會只會優先考慮其中一項任務。

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HabEx：哈勃 2.0

可以將HabEx視為下一代哈勃空間望遠鏡。HabEx配有4米主鏡 ——是哈勃望遠鏡主鏡直徑的兩倍 ——可以探測到近紅外，可見光和紫外線波段。但它與眾不同的地方在於：HabEx配備了一個日冕儀和一個直徑52米長的可摺疊的恆星遮擋物（又名太空雛菊），使用它們可以直接拍攝小型系外行星。日冕儀在航天器內部，但是恆星遮擋物等將與主鏡分開飛行，離望遠鏡大約76,000公里。

HabEx任務的藝術家概念圖顯示瞭望遠鏡和將隨之飛行的獨立恆星遮擋物（不按比例）。

HabEx / NASA

這個古怪的設置的最終目標是：找到另一個地球並進行研究。HabEx將對類似太陽的恆星周圍的十幾個巖質、地球大小的行星進行成像和表徵。該任務的儀器套件旨在尋找可居住的大氣層和生物化學標誌的跡象，稱為生物印記，這包括在這些行星的大氣中測量氧氣，二氧化碳和甲烷的吸收特徵。HabEx甚至可以檢測到海洋上閃爍的星光。

直接對系外行星成像是這項任務中最棘手的部分。雖然自20世紀90年代以來一直在研究利用遮擋物探測系外行星，但是之前從未實踐過。需要“太空雛菊”的原因是，雖然望遠鏡內的日冕儀可以阻擋主星的大部分光線，但是一些星光會不可避免地會散射回視野中。太空雛菊可防止這種反向散射，從而可以探測到較小和較暗的行星。

HabEx的技術難關主要有兩個：首先，太空雛菊必須在望遠鏡外自行飛行，使用自己的推進系統，不僅要與望遠鏡保持一致，還要能自主推進轉向新的目標。其次，太空雛菊必須摺疊發射然後在太空中展開，幾乎沒有容錯的餘地。

太空雛菊展開步驟

HabEx / NASA

也就是説，HabEx並非100％依賴於太空雛菊：該團隊正在考慮總共9種配置。替代方案包括用3.2米的組裝鏡替換4米鏡，以及不包括日冕儀或太空雛菊或兩者都不包括的配置。

“我們首選的架構是最昂貴的配置，需要開發的技術最多，”HabEx團隊聯合主席高迪説。“所有其他配置都比較便宜，需要更少的技術就能實現，但當然它們也無法做多少科學研究。”

儘管如此，HabEx的科學價值遠遠不止於尋找系外行星。望遠鏡觀測時間的一半將用於一般事業，使天文學家能夠探索從宇宙中缺失的物質到觀測類似海王星、天王星的冰質巨行星表面的極光等一系列課題。從某種意義上説，它將完成哈勃現在所做的大部分工作。但HabEx並不只是取代哈勃。它的主鏡的尺寸是哈勃望遠鏡的兩倍，由此HabEx將擁有四倍的光子聚集能力，並配有改進的相機和光譜技術。HabEx將看到比哈勃更多更遠的地方。

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LUVOIR：更強大的望遠鏡

如果HabEx是下一代哈勃望遠鏡，則可以將大型紫外/光學/紅外測量儀（LUVOIR）稱得上是蜘蛛俠版的哈勃望遠鏡。LUVOIR的最大亮點是其15米口徑的拼接主鏡，在發射後將以與JWST相同的方式展開。該團隊還展示了一種替代配置，即一個更小但仍舊可以説是史無前例的8米口徑的拼接主鏡。

這是中期報告中發佈的15米LUVOIR望遠鏡的初步概念。遮陽板被繪製成透明，以便航天器可見。前視圖顯示了主鏡和輔助支撐結構，而後視圖並突出顯示了支撐框架，其中包含四個儀器。

LUVOIR / NASA

和JWST和WFIRST一樣 ，LUVOIR將在距離地球150萬公里的L2拉格朗日點繞太陽運行。但與其他任務不同，LUVOIR可由宇航員改裝，它提供了一個安全網，雖然價格昂貴，但使人工更換和升級儀器成為可能。

如果任務超過10年，則必須進行人工調整。為了防止航天器在太空中翻滾，它將使用微型推進器，而不是使用在哈勃和開普勒上失敗過的飛輪保持姿態穩定。但是，由於它的口徑高達15米，用於隔離太陽熱量的遮光板也長達80米（因此它不能獲取太陽能），LUVOIR的燃料消耗會很快，這會限制它的壽命，除非它重新加填燃料。

這個示意圖顯示了LUVOIR與其他望遠鏡相比的能力。 LUVOIR-A代表15米主鏡，而LUVOIR-B代表8米主鏡。

NASA / New Horizons / J. Friedlander & T. B. Griswold (NASA GSFC)

LUVOIR的目標是直接成像系外行星

——不僅是十幾個，比如HabEx，而是上百個。與HabEx不同，LUVOIR不需要一個巨大的太空雛菊進行遮擋。並且它的光學系統可精確調整到皮米級穩定性，同時下一代日冕儀可達到極高的靈敏度，使得LUVOIR足以回答這個問題：在我們的宇宙中，可居住的行星和生命是否常見？

“我可以想象兩種情景，”O’Meara説。“一種是調查類太陽星周圍宜居帶裏的100顆類地行星時，一個生命也沒有發現。另一種是發現生命很豐富。”

團隊成員Aki Roberge（NASA Goddard）解釋説，大樣本量對於區分是否存在生命是至關重要的。“HabEx不能這樣做，因為它們的樣本量太小了。 LUVOIR更大的望遠鏡孔徑使我們獲得的樣本量更大。”

Gaidi同意這一點：“HabEx將是嘗試理解這個問題的’第一步’。而LUVOIR是一個“巨大的飛躍”，試圖不僅回答這個問題，而且還能提供強有力的數據。”

尋找系外行星遠非LUVOIR唯一的優勢。望遠鏡將看到33-34星等的天體，遠弱於在地球上可見的所有天體（由於在地球天空背景會有30星等的天空閃光），並且比哈勃望遠鏡的31星等更暗。“我們甚至還沒有觀測到過這麼暗的天體的宇宙學模擬，”O’Meara説。“我們將打開未知的新領域。”

左圖是哈勃望遠鏡拍攝的一個低質量的星系，其光線在到達望遠鏡之前已經運行超過了100億年。右邊是模擬顯示的LUVOIR觀測的同一個星系中的細節。圖像的跨度是5.84弧秒。

G. Snyder (STScI)

在這樣闇弱的星等水平可能會觀測到整個宇宙中的矮星系，目前的望遠鏡無法探測到這些星系。“使用LUVOIR這樣的望遠鏡，”

O’Meara指出，“我們能夠看到距離100億光年遠的100個太陽質量的矮星系。”這樣一個強大的望遠鏡也可以第一次繪製出星系周圍的高温氣體，雖然我們知道這些氣體一定存在，但目前還無法直接觀測到。

但強大的力量也帶來了巨大的成本。“LUVOIR可以説是四大任務中最雄心勃勃的， O’Meara説。“當然，這會帶來成本。LUVOIR會超過50億美元。”

『天文時刻』 牧夫出品

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木衞二在木星大紅斑上的影子，這是一張複合圖，來自伽利略號2000年5月22日，1997年9月19日，以及卡尼西號2000年12月29日拍攝到的圖像，圖來自Jason Major。